[发明专利]无线传感网中的多传输节点协同波束成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络，尤其涉及其中的多传输节点协同波束成形方法。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器节点开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种无线传感器节点构成无线传感网能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。无线传感网将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式；可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

在大多数的无线传感网络的设计中，每个传感器节点都是单天线且单节点独立工作。每个节点的发射装置包括信道编码器，基带调制器，成形滤波，射频调制器，见图1。

所述的信道编码器对传感器感知的信息进行编码，加入一些冗余的信息，以对抗在无线传输过程中信道衰落的影响，纠正在传输过程中造成的误码。同时利用信道编码算法中的检错功能，对传输过程中的误码进行检测，并提供给上层协议作为处理时的参考。对于信道编码器的构造，根据无线传感网的设计而选择，可以选用卷积编码器，也可以选为RS编码器。卷积编码器具有较强的纠错性能，但是也需要引入较大的冗余数据，同时还不能提供检错功能。RS编码器的纠错能力相对较弱，但是引入的冗余数据也较少，同时还能提供检错的功能。

所述的基带调制器则根据所选择的调制方式进行调制。常见的有QPSK或OQPSK等。以OQPSK为例，调制器包括一个串并变换器和一个1/2周期延时器组成。通过串并变换器，将信道编码器输入的数据流按奇偶的次序分成IQ两路，奇数序号的在I路，偶数序号的在Q路。1/2周期延时器与串并变换器的Q路输出端口相连，将Q路输出的数据延时1/2周期，时的I和Q路的数据符号交错半个周期，从而避免调制的符号相位上有180度的跳变。

所述的成形滤波器对基带调制器的I和Q路输出的数据进行成形滤波。由于基带调制器输出的是方波信号，有丰富的谐波成分，将这样的信号直接输出时其带外的谐波信号会对临近频段上通信的用户造成严重的干扰；另一方面，方波信号输出时得到的频谱效率较低，只有1波特每赫兹，因此需要对I和Q路输出的信号进行成形滤波。成形滤波器选用系数为0.35的升余弦窗滤波器。这样经过滤波的信号带宽为信号采样率的1.35倍，即频谱效率为1.48波特每赫兹，同时能有效的抑制输出信号的带外谐波。

所述的射频调制器由一个本振发生器，一个移相器，一个同相调制器，一个正交调制器和一个合路器。本振发生器提供无线传输的本振信号，本振发生器产生的本振信号一路直接输入同相调制器，另一路送入移相器。移相器对输入的本振信号进行90°移相，得到与原本振信号正交的一个本振信号，并送入正交调制器。同相调制器与基带调制器的I路输出和本振信号相连，将I路输出的信号调制到本振信号上。正交调制器与基带调制器的Q路输出和移相器的输出相连，将Q路输出的信号调制到正交的本振信号上。合路器与同相调制器和正交调制器相连，将两个调制器的输出合为一路。

上述这种单天线单节点的工作方式由于没有分集增益，能量效率较低，在能量受限的无线传感网中显然不是最佳的工作方式，不适合应用。另一方面，传感器节点都是随机布设的，考虑到某些节点与簇头节点之间的信道衰落可能会特别严重而导致其感知的信息无法传回，造成节点的失效，因此传感器节点是密集布设的，通过增加传感器节点的冗余度来提高网络的可靠性。这样做一方面布设成本较高，另一方面传感器节点布设密集会导致多个节点感知的信息冗余度较高，信息传输的效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于无线传感网中的多传输节点协同波束成形方法。

本发明要解决的现有无线传感网络的设计中因每个传感器节点都是单天线的工作方式带来的能量效率较低、布设成本较高和信息传输的效率较低的问题。

本发明的技术方案是：主发射节点和协同发射节点通过协同建立和协同发射两个步骤进行协同工作，其中协同建立过程中确定参与协同发射的节点，并为每个节点分配一个波束成形系数；协同发射过程中各个发射节点获得波束成形系数和发射的数据，并进行协同发射。